Bài giảng nhiệt động lực học kỹ thuật - Chương 7: Chu trình thiế bị động lực hơi nước

Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 7: CT THIẾT BỊ ĐL HƠI NƯỚC CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -1- CHƯƠNG 7 CHU TRÌNH THIẾÁT BỊ ĐỘÄNG LỰÏC HƠI NƯỚÙC 1. KHÁI QUÁT - Đây là chu trình thuận chiều (nhận nhiệt q1, sinh công w), dùng nước (hơi nước) làm chất môi giới. - Hiệu suất nhiệt của chu trình 1q w  - Sử dụng trong nhà máy nhiệt điện Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 7: CT THIẾT BỊ ĐL HƠI NƯỚC CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -2- 2. CHU TRÌNH CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ ĐỘNG LỰC NƯỚC (CHU TRÌNH RANKINE) ~ 1 2 3 4 5 Nước giải nhiệt BÌNH NGƯNG BƠM NƯỚC CẤP LÒ HƠI TUABIN HƠI BỘ QUÁ NHIỆT S T 1 23 5 MÁY PHÁT ĐIỆN p 1 p 2 4 G h , kg/s Gn, kg/s t n1 t n2 Các thiết bị chính: - Lò hơi: sản xuất ra hơi nước nhờ quá trình đốt cháy nhiên liệu. Nhiên liệu sau khi cháy sẽ phát sinh nhiệt và thông qua bề mặt trao đồi nhiệt sẽ truyền nhiệt cho nước biến thành hơi bão hòa khô. - Bộ quá nhiệt: biến hơi nước ở trạng thái hơi bão hòa khô thành hơi quá nhiệt nhờ vào nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt cháy. - Tuabin hơi: hơi quá nhiệt áp suất và nhiệt độ cao sau khi ra khỏi bộ quá nhiệt được phun lên cánh tuabin hơi làm trục tuabin quay kéo máy phát điện. - Máy phát: tiếp nhận công sinh ra từ tuabin để biến thành điện. - Bình ngưng: là thiết bị trao đổi nhiệt có nhiệm vụ biến hơi nước sau khi giản nở sau tuabin thành trại thái lỏng bão hòa. Quá trình này là quá trình ngưng tụ, hơi sẽ nhả nhiệt cho nguồn nước giải nhiệt bên ngoài. - Bơm nước cấp: đây là thiết bị nén nước sau khi ngưng tụ ở áp suất thấp đến áp suất cao để đưa trở vào lò hơi. Nguyên lý hoạt động: hơi quá nhiệt sau khi ra khỏi bộ quá nhiệt ở trạng thái 1 giãn nở đoạn nhiệt trong tuabin đến trạng thái hơi bão hòa ẩm 2 áp suất p2 Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 7: CT THIẾT BỊ ĐL HƠI NƯỚC CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -3- sau đó được đưa qua bình ngưng để ngưng tụ đẳng áp đến trạng thái lỏng sôi 3 sau đó được bơm nước cấp nén nước đoạn nhiệt đến trạng thái 4 sau đó được đưa vào lò hơi để gia nhiệt đẳng áp đến trạng thái hơi bão hòa khô 5 rồi qua bộ quá nhiệt để gia nhiệt đẳng áp thành hơi quá nhiệt ở trạng thái 1. Tính chu trình: Trạng thái 1: hơi quá nhiệt        1 1 1 1 i s t p Trạng thái 2: hơi bão hòa ẩm          x i ss t p 2 12 2 2 Trạng thái 3: lỏng sôi          3 3 23 23 i s tt pp Trạng thái 4: lỏng chưa sôi          4 34 4 14 i ss t pp Trạng thái 5: hơi bão hòa khô       5 5 15 i t pp Gọi Gh (kg/s) là sản lượng hơi sinh ra hay lưu lượng nước (hơi nước) tuần hoàn trong chu trình. Nhiệt lượng cấp vào chu trình: q1 = i1 – i4, kJ/kg Công sinh ra của tuabin: wT = i1 – i2, kJ/kg Năng suất giải nhiệt của bình ngưng q2 = i2 – i3, kJ/kg Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 7: CT THIẾT BỊ ĐL HƠI NƯỚC CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -4- Q2 = Gh(i2 – i3) = Gncp(tn2 – tn1), kW Công cấp vào bơm: wp = i4 – i3, kJ/kg Công sinh ra của chu trình: w = wT – wp = i1 – i2 – (i4 – i3) q1 = q2 + w Hiệu suất nhiệt của chu trình: 41 3421 1 ii iiii q w    )(  Trên thực tế công cấp vào bơm nước rất nhỏ so với công sinh ra của tuabin do đó có thể bỏ qua công này và xem i4  i3 S T 1 23 = 4 5 p 1 p 2  CÁC BIỆN PHÁP TĂNG HIỆU SUẤT CHU TRÌNH RANKINE: (SGK) - Giảm p2 - Tăng T1 - Tăng p1 q1 = i1 – i3, kJ/kg 31 21 1 ii ii q w    Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 7: CT THIẾT BỊ ĐL HƠI NƯỚC CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -5- 3. CHU TRÌNH QUÁ NHIỆT TRUNG GIAN Để tăng độ khô ở phần đuôi tuabin và tăng hiệu suất nhiệt của thiết bị người ta sử dụng biện pháp quá nhiệt trung gian. BN QNTGQN LH 1 4 5 6 7 S T 1 45 7 p 1 p 2 6 G h , kg/s Gn, kg/s t n1 t n2 CA HA ~ 2 3 2 3 p tg Hơi từ lò hơi có áp suất p1, nhiệt độ t1 được đưa vào phần tuabin cao áp, sau khi giãn nở đến trạng thái 2, hơi này sẽ được đưa về lò hơi, nhờ bộ quá nhiệt trung gian hơi được gia nhiệt từ trạng thái 2 đến 3 và đưa vào phần tuabin hạ áp để giản nở đến áp suất p2. Trạng thái 2 có thể là hơi bão hòa khô hoặc hơi bão hòa ẩm hoặc hơi quá nhiệt. Nhiệt lượng cấp vào chu trình: q1 = i1 – i6 + i3 – i2, kJ/kg Công sinh ra của tuabin: wT = i1 – i2 + i3 – i4, kJ/kg Năng suất giải nhiệt của bình ngưng q2 = i4 – i5, kJ/kg Q2 = Gh(i4 – i5) = Gncp(tn2 – tn1), kW Công cấp vào bơm: wp = i6 – i5, kJ/kg Công sinh ra của chu trình: w = wT – wp = i1 – i2 + i3 – i4 – (i6 – i5), kJ/kg q1 = q2 + w Hiệu suất nhiệt của chu trình: 23611 iiiiq w    )ii(ii ii 56 4321 Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 7: CT THIẾT BỊ ĐL HƠI NƯỚC CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -6- 4. BÀI TẬP  Khảo sát chu trình thiết bị động lực hơi nước làm việc với các thông số sau : - Nhiệt độ hơi nước vào và ra khỏi tuabin lần lượt là : t1 = 600 0 C và t2 = 45 0 C. - Lưu lượng nước giải nhiệt đi qua bình ngưng là 104 m3 / h, độ chênh lệch nhiệt độ nước giải nhiệt giữa đầu ra và đầu vào của bình ngưng là 6 0 C. - Aùp suất làm việc của lò hơi là 100 bar, hơi nước ra khỏi bao hơi của lò hơi được xem là bão hòa khô. a- Tính nhiệt lượng cấp vào lò hơi, nhiệt lượng cấp vào bộ quá nhiệt và nhiệt lượng nhả ra ở bình ngưng. b- Xác định hiệu suất nhiệt của chu trình. c- Giả sử các thông số khác được giữ không đổi, chỉ thay đổi t2 , xác định công đơn vị của tuabin khi t2 = 40 0 C. So sánh với công đơn vị của tuabin ở trường hợp trước.  Một thiết bị động lực hơi nước hoạt động theo chu trình Rankine lý thuyết, thông số hơi vào tuabin p1=80bar, t1=500 o C, hơi ra khỏi tuabin có p2=0,05bar. Hệ thống bơm nước giải nhiệt cho bình ngưng đo được các thông số sau: nhiệt độ nước vào tn1=24 o C, nhiệt độ nước ra tn2=31 o C, lưu lượng bơm Vn=8726m 3 /h. 1. Vẽ sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị và biểu diễn chu trình trên đồ thị T-s 2. Tính công suất phát trên trục tuabin N[kW] 3. Tính lưu lượng hơi Gh mà lò hơi cung cấp cho tuabin [T/h] 4. Tính hiệu suất nhiệt của chu trình t  Khi tính xem nhiệt dung riêng của nước cpn=4,18kJ/kg.độ, khối lượng riêng của nước là 1000kg/m 3 và bỏ qua công tiêu hoa của bơm cấp.  Một thiết bị động lực hơi nước hoạt động theo chu trình quá nhiệt trung gian, các thông số cần thiết như sau; Hơi vào tầng đầu của tuabin p1=10Mpa, t1=450 o C Hơi vào bộ quá nhiệt trung gian là hơi bão hòa khô. Hơi ra khỏi bộ quá nhiệt trung gian có nhiệt độ t3=450 o C Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 7: CT THIẾT BỊ ĐL HƠI NƯỚC CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -7- T S 1 2 4 3 T S 1 2 4 3 n m Aùp suất ngưng tụ của bình ngưng p4=0,05bar Khi tính có thể bỏ qua công tiêu hao của bơm cấp. 1. Biểu diễn chu trình trên đồ thị i-s và T-s 2. Tính hiệu suất nhiệt của chu trình 3. Nếu công suất phát trên trục tuabin là NT=100MW thì năng suất lò hơi là bao nhiêu T/h  Chu trình thiết bị động lực hơi nước có đồ thị T-s như hình vẽ trên. Cho biết P4=80bar, t1=600 o C, P2=0,05bar. Xác định hiệu suất chu trình. Để tăng hiệu suất nhiệt, người ta thực hiện chu trình có quá nhiệt trung gian với đồ thị T-s dưới, trong đó các điểm 1, 3, 4 vẫn giống như hình trên. Cho biết thêm: Pm=20bar, tn=600 o C. Tính hiệu suất nhiệt ở trường hợp này.